Esercitazioni Fisica Tecnica ed impianti

FISICA TECNICA AMBIENTALE

Prof. Michela Buzzetti

Esercitatore: Ing. Alessandro Miglioli

ESERCITAZIONE 9 – IMPIANTI TECNICI

1. Determinare il rendimento complessivo di un impianto termico di riscaldamento è caratterizzato dai

seguenti rendimenti dei sottosistemi di cui è composto:

sottosistema di emissione: = 0,96

h

- eh

sottosistema di regolazione: = 0,99

h

- rh

sottosistema di distribuzione: = 0,98

h

- dh

sottosistema di generazione: = 0,96

h

- gh

SOLUZIONE: [h = 0,894]

imp

2. Determinare il rendimento complessivo in termini di energia primaria, di un impianto con pompa di calore

ad acqua alimentata elettricamente, con un COP pari a 4, sapendo che il fattore di conversione in energia

primaria f vale 2,42 e conoscendo i seguenti rendimenti degli altri sottosistemi:

EP sottosistema di emissione: = 0,93

h

- eh

sottosistema di regolazione: = 0,98

h

- rh

sottosistema di distribuzione: = 0,95

h

- dh

SOLUZIONE: [h = 1,431]

imp

3. Determinare il consumo in termini di energia primaria di un impianto di riscaldamento che soddisfi un

fabbisogno termico pari a 20.000 kWh/anno, il cui generatore è costituito da una pompa di calore ad aria

alimentata elettricamente, avente un COP pari a 3. Inoltre, è noto che i sottosistemi di distribuzione,

regolazione ed emissione siano caratterizzati, rispettivamente, da un rendimento pari a 0,95, 0,98, 0,99. Il

fattore di conversione in energia primaria f vale 2,42.

EP

SOLUZIONE: [Q = 17.504 kWh/anno]

EP

4. Determinare il consumo annuo complessivo in termini di energia primaria di un impianto di riscaldamento

che deve garantire un fabbisogno termico di 10.000 kWh/anno, il cui generatore è costituito da una caldaia a

condensazione avente rendimento del 107% ed i cui sottosistemi di distribuzione, regolazione ed emissione

sono caratterizzati, rispettivamente, da un rendimento del 97%, 99% e 95%, sapendo, inoltre, che le relative

apparecchiature ausiliarie consumano, complessivamente in un anno, 500 kWh di energia elettrica. Il fattore

di conversione in energia primaria f vale 2,42.

EP

SOLUZIONE: [Q = 11.454 kWh/anno]

EP

5. Un edificio è caratterizzato da un fabbisogno invernale di energia per trasmissione e ventilazione Q di

f

5000 kWh/anno. Determinare il consumo di energia primaria della sola generazione, sapendo che questo è

caratterizzato da un rendimento complessivo = 0,85. Calcolare anche il consumo di energia primaria dei

h

imp

componenti considerando che il sistema impiantistico consumi una quantità di energia elettrica per

l’alimentazione dei componenti ausiliari dell’impianto pari a 300 kWh/anno.

SOLUZIONE: [Q = 5882 kWh/anno] [Q = 726 kWh/anno]

EP EP,aux

6. Sapendo che una pompa di calore assorbe un lavoro di 45 MJ per produrre una quantità di calore pari a

a 100 MJ, determinare secondo il ciclo ideale di Carnot il relativo COP.

SOLUZIONE: [COP = 2,22]

7. Sapendo che una pompa di calore assorbe un lavoro di 2000 kWh in un giorno, e che è caratterizzata da

un COP di 3,5, determinare quant’è l’energia termica prodotta in MJ. Determinare, inoltre, la potenza

mediamente assorbita nell’arco della giornata.

SOLUZIONE: [Q = 25200 MJ] [P = 291,7 kW]

8. Sapendo che il calore specifico dell’acqua vale 4186 J/kgK e che vengono portati 100 m d’acqua da 10°C

3

a 35°C da una pompa di calore con COP = 3, determinare la quantità di calore da fornire alla massa d’acqua

(ovvero il calore che deve essere prodotto dalla pompa di calore) e il lavoro che la pompa di calore deve

assorbire per compiere tale operazione.

SOLUZIONE: [Q = 40.465 MJ ] [L = 3488 MJ] 1

FISICA TECNICA AMBIENTALE

Prof. Michela Buzzetti

Esercitatore: Ing. Alessandro Miglioli

9. Dimensionare la potenza nominale del generatore di un impianto di riscaldamento che deve coprire un

flusso massimo per ventilazione e trasmissione di 40kW. Il rendimento complessivo dell’impianto termico è

pari al 93%.

SOLUZIONE: [P = 43 kW]

n

10. Dimensionare la potenza termica, espressa in kW, in ingresso ad un generatore di un impianto di

riscaldamento sapendo che l’edificio ha una dispersione termica specifica per trasmissione H = 1200 W/K e

t

per ventilazione H = 450 W/K. La temperatura di progetto per il sito di riferimento è pari a -5°C, mentre la

v

temperatura da assicurare negli ambienti riscaldati è pari a 20°C. Il rendimento complessivo dell’impianto

termico, infine, è pari al 93%.

SOLUZIONE: [P = 44,35 kW]

n

11. Determinare il fabbisogno annuo di energia per la produzione di acqua calda sanitaria, sapendo che

l’utenza è di tipo residenziale ed è composta da 6 persone. Si ipotizzi fabbisogno giornaliero a persona di 80

l/(persona giorno), una temperatura di utilizzo di 45°C e una temperatura dell’acqua prelevata dalla rete idrica

di 10°C. Si ricorda, inoltre, che il calore specifico dell’acqua vale 1 kcal/kgK.

SOLUZIONE: [Q = 7130 kWh]

ACS

12. Determinare il fabbisogno termico annuo per la produzione di acqua calda sanitaria necessaria a 2

persone che mediamente consumano 40 litri al giorno, ipotizzando temperature del fluido da acquedotto e

dell’acqua calda ragionevoli e stabilire quale tecnologia consente di avere il minimo consumo di energia

primaria:

1. Boiler elettrico ( = 0,85)

el

2. Boiler a gas ( = 0,9)

gas

3. Pompa di calore (COP = 3,5)

SOLUZIONE: [Q = 1019 kWh/anno] [Q = 2901 kWh/anno] [Q = 1132 kWh/anno] [Q = 705

ACS EP1 EP2 EP3

kWh/anno]

13. Per sopperire al fabbisogno termico di una casa e mantenere la temperatura interna a 20°C si ricorre

all’uso di una pompa di calore. In un giorno, nel quale la temperatura esterna cala fino a -2°C, si stima che la

casa dissipi una potenza termica di 20 kW. Sapendo che la pompa di calore in queste condizioni ha un COP

pari a 2,5 si determini:

La potenza assorbita dalla pompa di calore

- La potenza assorbita dall’aria esterna

-

SOLUZIONE: [P = 8 kW] [P = 12 kW]

e a 2

FISICA TECNICA E IMPIANTI

Professore: Ing. Fabrizio Leonforte

Esercitatore: Ing. Alessandro Miglioli

ESERCITAZIONE 10 – FONTI ENERGETICHE RINNOVABILI (FER)

SOLARE FOTOVOLTAICO

1. Un impianto fotovoltaico è dotato di 20 pannelli da 260 W ciascuno. Considerando un’irradiazione sul

p

piano dei pannelli pari a 1200 kWh/m anno, calcolare l’energia elettrica prodotta annualmente dall’intero

2

impianto, considerando i seguenti fattori per determinare il performance ratio (PR):

a) fattore di correzione delle riflessioni ottiche: k = 0,97

θ

b) fattore di correzione dello spettro solare: k = 0,98

λ

c) fattore di correzione per basso irraggiamento: k = 0,97

BI

d) fattore di correzione della temperatura: k = 0,95

γ

e) fattore di correzione per cadute di tensione nei cavi: k = 0,97

W

f) efficienza di conversione AC/DC inverter: η = 0,9

INV

SOLUZIONE: [E = 4772 kWh/anno]

PV,tot

2. Si consideri un impianto fotovoltaico composto da 8 moduli da 220 W ciascuno, con un’efficienza

p

dell’inverter pari a 0,9 ed un fattore K fari a 0,8. Sul piano dei moduli incide una irradiazione media giornaliera

PV

pari a 4 kWh/m giorni. Calcolare l’energia prodotta annualmente dall’impianto.

2

SOLUZIONE: [E = 1850 kWh/anno]

PV,tot

3. Un impianto fotovoltaico ha una potenza nominale di 3 kW . Sui moduli incide in media una irradiazione

p

di 1200 kWh/m anno. Considerando un fattore PR = 0,75 calcolare l’energia elettrica producibile in 20 anni.

2

SOLUZIONE: [E = 54’000 kWh]

PV,tot

4. Una utenza elettrica ha un fabbisogno di 3000 kWh/anno ed è situata in una località in cui, relativamente

alla disposizione ottimale di un pannello fotovoltaico, si ha una irradiazione media mensile di 112,5 kWh/m .

2

Calcolare la potenza che deve avere il campo fotovoltaico per soddisfare il fabbisogno, considerando un

coefficiente di prestazione PR determinato dai fattori K = 0,9 e η = 0,85.

PV INV

SOLUZIONE: [P = 2,9 kW ]

PV,tot p

5. Un’utenza elettrica ha un fabbisogno di 2500 kWh/anno ed è situata in una località in cui, relativamente

alla disposizione ottimale di un pannello fotovoltaico, si ha una irradiazione media di 1400 kWh/m anno.

2

Calcolare la superficie da destinare al campo fotovoltaico per soddisfare il fabbisogno, considerando un

rendimento dei moduli pari al 12% ed un coefficiente di prestazione PR pari a 0,8.

SOLUZIONE: [A = 18,6 m ]

2

PV

6. Un’utenza elettrica ha un fabbisogno di 3500 kWh/anno ed è situata in una località in cui, relativamente

alla disposizione ottimale di un pannello fotovoltaico, si ha una irradiazione media mensile di 120 kWh/m

2

mese, costante per tutto l’anno. Determinare:

La potenza fotovoltaica, espressa in kW , necessaria per coprire il fabbisogno, considerando un PR

• p

pari a 0,75;

Il numero di pannelli da installare, avendo a disposizione moduli da 300 W ciascuno.

• p

SOLUZIONE: [P = 3240 W ] [n = 11 pannelli]

PV,tot p PV

7. Un campo fotovoltaico è costituito da 20 moduli. Ognuno di essi misura un’area pari a 1 m e ha rendimento

2

pari al 12%. Sui moduli incide durante l’anno un’irradiazione media di 1300 kWh/m . Considerando un

2

consumo annuo dell’utenza servita pari a 3 MWh/anno, calcolare la quantità di energia elettrica prodotta da

fonti tradizionali necessaria a soddisfare la parte di fabbisogno non coperta dall’energia solare, considerando

per l’impianto fotovoltaico un PR pari a 0,72.

SOLUZIONE: [E = 753,6 kWh]

PV,tot

8. In una residenza sono installate apparecchiature elettriche per una potenza complessiva di 1,8 kW.

Supponendo che mediamente, tali apparecchiature funzionino per 8 ore al giorno, dimensionare la potenza

nominale di un impianto fotovoltaico affinché questo soddisfi l’intero fabbisogno elettrico, secondo l’utenza

ipotizzata, supponendo che il piano su cui verranno installati i moduli sia soggetto ad un’irradiazione annua di

1320 kWh/m e che l’impianto sia caratterizzato da un PR pari a 0,77.

2

SOLUZIONE: [P = 5,17 kW ]

PV,tot p 1

FISICA TECNICA E IMPIANTI

Professore: Ing. Fabrizio Leonforte

Esercitatore: Ing. Alessandro Miglioli

SOLARE TERMICO

9. Un serbatoio d’accumulo della capacità di 250 litri e perfettamente isolato, contiene acqua alla temperatura

di 40°C. Determinare quanto calore (in MJ) bisogna aggiungere all’acqua per portarla a 60°C.

SOLUZIONE: [Q = 20.93 MJ]

10. Calcolare il fattore di copertura media annuale (f) di un impianto solare termico sapendo che l’energia

ter